CN105229264B - 涡轮机及具有该涡轮机的内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机(120)包括具有两个气体通道(236)的涡轮机壳体(215)，两个气体通道(236)具有基本相同的流动面积。喷嘴环(238)设置在壳体(215)中且包围涡轮机叶轮(212)设置。喷嘴环(238)包括第一外环和第二外环以及内环(242)，内环(242)设在第一外环和第二外环之间。第一多个叶片和第二多个叶片(246)设在各环之间。第二外环(243)的横截面比所述第一外环(243)的横截面更厚，从而相比于第二外环(243)与所述内环(242)之间形成的流动面积，在所述第一外环(243)与所述内环(242)之间形成的流动面积更大。

Description

涡轮机及具有该涡轮机的内燃机
技术领域
本发明总体上涉及涡轮增压器涡轮机，且更具体地涉及在内燃机上使用的涡轮增压器涡轮机。
背景技术
内燃机被供应有空气和燃料的混合物以用于在发动机内燃烧，这种燃烧产生机械功率。为了最大化通过此燃烧过程产生的功率，发动机通常装备有涡轮增压进气系统。
涡轮增压进气系统包括具有涡轮机的涡轮增压器，其使用来自发动机的排气以压缩流入发动机内的空气，从而迫使比自然吸气发动机原本可吸入燃烧室的空气要多的空气进入发动机的燃烧室。这种增加的空气供应允许燃料供给增加，进而导致发动机功率输出增加。
发动机的燃料能量转换效率取决于许多因素，包括发动机的涡轮增压器的效率。先前提出的涡轮增压器设计包括具有形成在它们的壳体中的分开的气体通道的涡轮机。在这种涡轮机中，两个或更多个气体通道可以形成在涡轮机壳体中并且彼此平行延伸，使得当排气通过排气收集器或歧管到涡轮机时，保存来自在不同时间点火的单独发动机气缸的排气脉冲能量波动。这些排气脉冲可以用于改善涡轮机的驱动功能并且增加排气系统的效率。
内燃机还使用各种系统来减少某些化合物和物质，所述化合物和物质是发动机燃烧的副产物。一个这样的系统(其通常称为排气再循环(EGR))被配置为将经计量及通常冷却的排气再循环到发动机的进气系统中。以这种方式再循环的燃烧气体具有明显低于新鲜的进入空气的氧浓度。将再循环气体引入发动机的进气系统且随后引入发动机汽缸导致在发动机中产生较低燃烧温度，继而减少某些燃烧副产物(诸如包含氧和氮的化合物)的产生。
在涡轮增压的发动机上使用的EGR系统的一种公知配置通常称为高压EGR系统。这种高压的命名依据排气再循环于其间的发动机进气系统和排气系统中的位置。在高压EGR系统(HP-EGR)中，排气是从涡轮机上游的位置从排气系统移除并且在压缩机下游的位置被递送至进气系统。在被引入进气系统之后，再循环的排气与燃料和来自压缩器的新鲜空气混合以形成然后在每个发动机气缸中燃烧的混合物。
在缺少推动EGR气体在发动机的排气系统与进气系统之间流动的专用部件(诸如泵)的发动机中，EGR气体通过EGR系统的最大可能流速将取决于发动机的排气系统与进气系统之间的压力差。这种压力差通常称为EGR驱动压力。通常存在这样的情况，即发动机所需要的EGR气体流量高于基于发动机操作期间所存在的EGR驱动压力所可能存在的。
过去，已经提出了多种解决方案来选择性地调整涡轮增压发动机中的EGR驱动压力。一种这样的解决方案是使用可变喷嘴或可变几何形状涡轮机。可变喷嘴涡轮机包括设置在涡轮机叶轮周围的可移动叶片。这些叶片的移动改变涡轮机的有效流速且因此在一个方面产生增加发动机的排气系统在操作期间的压力的一种限制。发动机的增加的排气压力导致增加的EGR驱动压力，继而促进发动机中的EGR气体的流动能力增加。
尽管用以增加发动机的EGR气体流动能力的这种以及其它公知解决方案已经成功并且在过去已经得到广泛使用，但是它们需要使用可变几何形状涡轮机，所述可变几何形状涡轮机是包括在恶劣环境中操作的移动零件的相对昂贵的装置。此外，由于无法使来自不同组气缸的流分离，可变几何形状涡轮机通常损坏或者屏蔽发动机的排气流的脉冲能量，这导致涡轮机效率降低且燃料消耗升高。此外，增加发动机排气回压，具有可变涡轮机几何形状的燃料经济性益处将易于抵消。
发明内容
在一个方面中，本发明描述了一种涡轮机。该涡轮机包括：涡轮机壳体，其包括至少两个气体通道，所述至少两个气体通道具有基本上相同的流动面积，并且设置在分隔壁的相对侧上；以及涡轮机叶轮，其具有多个叶片。喷嘴环连接到涡轮机壳体并且设置在涡轮机叶轮周围。喷嘴环具有第一外环和邻近于第一外环设置的内环。内环具有环形形状并且设置成与分隔壁轴向对准。第二外环邻近于内环设置并且比第一外环具有更厚的横截面。第一多个叶片固定地设置在第一外环和内环之间，并且在它们之间限定第一多个进口开口，第一多个进口开口与形成在喷嘴环中并且包围涡轮机叶轮的狭槽流体连通。第二多个叶片固定地设置在第二外环和内环之间，并且在它们之间限定第二多个进口开口，其与所述狭槽流体连通。第一多个进口开口共同限定第一流动面积，所述第一流动面积大于由第二多个进口开口所共同限定的第二流动面积。
在另一方面中，本发明描述了一种内燃机。该内燃机包括具有第一进口和第二进口的分式涡轮机。第一多个气缸连接于第一排气导管，该第一排气导管连接至分式涡轮机的第一进口。第二多个气缸连接至第二排气导管，该第二排气导管连接于分式涡轮机的第二进口。平衡阀设置成选择性地将排气从第一排气导管送至第二排气导管，且排气再循环(EGR)系统包括将第一排气导管与发动机的进气系统选择性地且流体地连接的阀。
在一个实施例中，分式涡轮机包括涡轮机壳体，该涡轮机壳体包括具有基本上相同的流动面积并且设置在分隔壁的相对两侧上的两个气体通道。两个气体通道流体地连接至分式涡轮机的第一进口和第二进口。涡轮机叶轮具有多个叶片，且喷嘴环连接至涡轮机壳体并且设置在涡轮机叶轮周围。喷嘴环包括第一外环和邻近于第一外环设置的内环。内环具有环形形状并且设置成与分隔壁轴向对准。第二外环邻近于内环设置。第二外环比第一外环具有更厚的横截面。第一多个叶片固定地设置在第一外环和内环之间，并且在它们之间限定第一多个进口开口，所述进口开口与形成在喷嘴环中且包围涡轮机叶轮的狭槽流体连通。第二多个叶片固定地设置在第二外环和内环之间。第二多个叶片限定第二多个进口开口，每个开口限定在两个相邻叶片之间。第二多个进口开口与狭槽流体连通。第一多个进口开口共同限定第一流动面积，该第一流动面积大于由第二多个进口开口所共同限定的第二流动面积。
在又一方面中，本发明描述了一种适用于安装在形成于涡轮机壳体中的接纳孔中的喷嘴环。涡轮机壳体具有形成于其内且由分隔壁隔开的、具有基本相同流动面积的两个流动通道，每个流动通道均连接于相应的进气口，当涡轮机壳体组装到涡轮增压器中时，接纳孔包围涡轮机叶轮。喷嘴环包括第一外环、邻近于该第一外环设置的内环以及第二外环，所述内环具有环形形状并且设置成与分隔壁轴向对准，并且第二外环邻近于内环设置，第二外环比第一外环具有更厚的横截面。第一多个叶片固定地设置在第一外环和内环之间。第一多个叶片在它们之间限定第一多个进口开口，这些进口开口与形成在喷嘴环中并且适合于包围涡轮机叶轮的狭槽流体连通。第二多个叶片固定地设置在第二外环和内环之间，并且在它们之间限定与狭槽流体连通的第二多个进口开口。第一多个进口开口共同限定第一流动面积，该第一流动面积大于由第二多个进口开口所共同限定的第二流动面积。
在另一方面中，本发明提供一种内燃机，其具有前述的涡轮机，所述内燃机进一步包括：第一多个气缸，其连接至第一排气导管，所述第一排气导管连接至所述涡轮机的第一进口；第二多个气缸，其连接至第二排气导管，所述第二排气导管连接至所述涡轮机的第二进口；平衡阀，其设置为将排气从所述第一排气导管选择性地送至所述第二排气导管；以及排气再循环系统，其包括阀，所述阀将所述第一排气导管与所述内燃机的进气系统选择性地流体地连接。
附图说明
图1是根据本发明的具有高压EGR系统的内燃机的框图。
图2是根据本发明的涡轮增压器组件的剖视图。
图3是根据本发明的涡轮器组件的详细剖视图。
图4是根据本发明的径向喷嘴环的轮廓图。
图5是根据本发明的喷嘴环的第一剖视图。
图6是根据本发明的喷嘴环的第二剖视图。
图7是根据本发明的喷嘴环的横截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种改进的涡轮机构造，该涡轮机构造结合涡轮增压器用在内燃机中，以提高发动机的效率和能力以便驱动充足量的EGR气体。在图1中示出具有高压EGR系统102的发动机100的简化框图。该发动机100包括容纳多个燃烧气缸106的曲轴箱104。在所说明的实施例中，六个燃烧气缸示作处于直列式或“I”构造，但也可使用设置成不同构造、例如“V”构造的任何其他数量的气缸。多个气缸106经由排气阀(未示出)流体地连接于第一和第二排气导管108和110。第一和第二排气导管108和110的每个连接于相应的排气管112和114，这些排气管再连接于涡轮增压器119的涡轮机120。平衡阀116流体地互连在两个排气管112和114之间，并且设置成根据需要在运行期间使排气从第一排气管112行进至第二排气管114。注意到，平衡阀116是可选的并且可被省略。
在所说明的实施例中，涡轮机120具有单独的壳体，该单独的壳体包括流体地连接于第一排气管112的第一进口122和连接于第二排气管114的第二进口124。每个进口122和124均设置成在发动机运行期间接收来自第一和第二排气导管108和110的一个或两个的排气。排气在通过出口128离开涡轮机120的壳体之前致使连接于轴126的涡轮机叶轮(在此未示出)转动。出口128处的排气在通过栈管或尾管134被排出到环境中之前，可选地通过其他排气部件，例如机械地且化学地去除来自排气流的燃烧副产品的后处理装置130，和/或衰减发动机噪声的消音器132。
轴126的转动致使压缩机136的叶轮(在此未示出)转动。如图所示，压缩机136为径向压缩机，该径向压缩机被构造成通过压缩机进口140接收来自空气过滤器138的新鲜的、过滤后的空气流。压缩机136的出口142处的加压空气在被提供给发动机100的进气歧管148之前经由增压空气管道144行进至增压空气冷却器146。在所说明的实施例中，来自进气歧管148的空气行进至各个气缸106，在此处该空气与燃料混合并燃烧以产生发动机动力。
EGR系统102包括可选的EGR冷却器150，该EGR冷却器流体地连接于第一排气导管108的EGR气体供给端口152。来自第一排气导管108的排气流能穿过EGR冷却器150，在此处，该排气流在经由EGR管道156供给至EGR阀154之前被冷却。EGR阀154可被电子地控制并且构造成计量或控制穿过EGR管道156的气体的流速。EGR阀154的出口流体地连接于进气歧管148，以使得来自EGR管道156的排气可在发动机100的进气歧管148内与来自增压空气冷却器146的压缩空气混合。
排气在第一排气导管108处的压力(通常被称为回压)高于环境压力，其部分缘于涡轮机120所具有的节流。同理，正的回压存在于第二排气导管110中。空气或空气/EGR气体混合物在进气歧管148中的压力(通常被称为增压压力)由于由压缩机136所提供的压缩也高于环境压力。很大程度上，回压和增压压力之间的压差，连同EGR系统102的部件的节流和流动面积，确定了EGR气体在各种发动机运行条件下可能实现的最大流速。
为此，有时在需要附加的EGR驱动压力时的发动机运行期间，第一排气导管108的回压维持在比第二排气导管110的回压高的水平。为了实现此种压力升高，涡轮机120被构造成具有不同的排气流节流特性，其中，使通过第一进口122进入的流比通过第二进口124进入的流经受更高的节流。涡轮机120的此种不同的或不对称的节流特性提供增大的压差来驱动EGR气体，而无需提高发发动机100的基本上所有气缸106的回压。有时在不需要在第一排气导管108中升高回压来驱动EGR气流时，可选的平衡阀116可被用于平衡流过涡轮机120的两个进口122和124的每个的排气流。
在以下的描述中，为了简便起见，与已经描述过相对应的结构和特征相同或类似的结构或特征用与之前使用的相同的参考标记表示。因此，在图2中示出涡轮机120的一个实施例的部分横截面图。涡轮机120连接于中心壳体202。如图所示，中心壳体202包围轴126的一部分并且包括设置在润滑腔206内的轴承(未示出)。润滑腔206包括润滑油进口开口和出口开口，这些开口供润滑液的流流过其中，从而在运行期间随着轴126转动来润滑轴承。
轴126在一个端部处连接于涡轮机叶轮212，而在另一端处连接于压缩机叶轮213。涡轮机叶轮212被构造成在连接于中心壳体202的涡轮机壳体215内转动。压缩机叶轮213被设置成在压缩机壳体217内转动。涡轮机叶轮212包括径向地设置在毂216周围的多个叶片214。该毂216由紧固件218连接于轴126的端部，并且构造成在运行期间使轴126转动。涡轮机叶轮212可转动地设置在限定于涡轮机壳体215内的排气进口狭槽230之间。狭槽230沿相对于轴126和叶片214的大体径向向内的方向将排气提供给涡轮机叶轮212。离开涡轮机叶轮212的排气提供给流体地连接于涡轮机出口128的涡轮机出口孔234。进气槽230流体地连接于进气通道236，所述通道236形成于涡轮机壳体215中并且构造成使进气槽230与涡轮机进口122和124(图1)流体地互连。
两个涡轮机进口122和124的每个连接于两个进气通道236的一个。每个气体通道236具有围绕涡轮机叶轮212和孔234的区域缠绕的近似卷绕形状，并且围绕涡轮机叶轮212的整个周缘朝向狭槽230打开。每个通道236的横截面流动面积沿着经由进口122和124进入涡轮机120并且通过狭槽230离开壳体的气体流动路径减小。如图所示，两个通道236在围绕叶轮21的任何给定径向位置上具有基本相同的横截面流动面积。虽然示出两个通道236，但也可使用单个通道或两个以上的通道。
径向喷嘴环238基本上设置在涡轮机叶轮212的整个周缘周围。下文在各段落中将更详细地描述的是，径向喷嘴环238被设置成与两个通道236流体连通并且围绕叶轮212限定狭槽230。如图2所示，并且在图3的详细视图中示出，分隔壁240在两个通道236之间限定在壳体215中。分隔壁240相对于狭槽230径向向外地设置，以使得来自两个通道236的气流可在进入狭槽230并到达叶轮之前组合。
进一步参照图4，喷嘴环238包括设置在两个外环、即第一外环243和第二外环244之间的内环242。内环242邻近于分隔壁240定位并且如图3所示形成分隔壁的延伸部，以形成分隔壁延伸部分245。内环242以这种方式与分隔壁240轴向地对准。在所说明的实施例中，内环242具有将两个外环243和244的径向最外部分和轴向最外部分之间的距离等分成基本上相等部分的对称形状。第二外环244比第一外环243具有更厚的横截面，以便在第二外环244和内环242之间限定出与在第一外环243和内环242之间限定出的流动面积相比减小的气体流动面积，正如图3中所示那样。在所说明的实施例中，第二外环244的较厚横截面由隆起部分241产生，该隆起部分是第二外环244的侧壁的面向内环242的平滑突出部，该平滑突出部侵蚀内环242和第二外环244之间的横截面流动面积。第一多个叶片246对称地设置在第一外环243和内环242之间，而第二多个叶片247设置在内环242和第二外环244之间。
第一多个叶片246和第二多个叶片247的形状和构造是不同的，例如在图5和图6的横截面中能够看到的那样。如图所示，多个叶片246和247其两者均对称地设置在环238的中心开口248周围，但是相对于径向向内运动的排气，第一多个叶片246中的每个叶片比第二多个叶片247中的每个叶片具有更大的冲角。于是，第一多个倾斜流动通道250限定在第一多个叶片246中的相邻叶片之间，而第二多个倾斜流动通道251限定在第二多个叶片247中的相邻叶片之间。在这两种多个流动通道之间，第一多个倾斜流动通道250中的那些流动通道以比由第二多个倾斜流动通道251中的那些流动通道所提供的流的相应径向速度分量更强的径向速度分量将气流引入到中心开口248中。此外，第一多个倾斜流动通道250的流动通道中的每一个沿相对于涡轮机轴的径向方向的流动面积大于第二多个倾斜流动通道251中的每个流动通道沿相同方向的流动面积，这使得穿过第一多个倾斜流动通道250的气体具有较低的流动压降。如图3所示，第二外环244同样比第一外环243具有更厚的横截面，这意味着在内环242和第二外环244之间沿轴向方向的气体的横截面流动面积也小于第一外环243和内环242之间的相应流动面积。
穿过通道250和251的气体的流动动量大体切向地并且径向地向内指向叶轮212(在图2中示出)的内径，使得能够增强叶轮的转动。虽然叶片246和247进一步具有大体弧形的翼型形状以使得在叶片之上和之间通行的气体的流动损失最小，由此分别为涡轮机叶轮提供一致的流入条件，但他们也为内环242提供结构支承。在所说明的实施例中，在第一和第二多个叶片246和247的每个中存在15个叶片，这些叶片中的每个均连接在内环242的任一侧上并且处于近似相等的径向位置处，但也可使用任何其他数量或布置的叶片。例如，可使用13个叶片而非15个。在所说明的实施例中，叶片246和247的数量不同于涡轮机叶轮212的叶片214的数量，以便在运行期间避免出现共振情况。
现在再次参见图2，喷嘴环238被设置于在涡轮机壳体215内形成的孔中。保持器252被设置成将环238保持在壳体215内。保持器252围绕环238沿周边延伸并通过一个或多个紧固件254保持在该壳体上。进一步地，设置于形成于该壳体和环238中的相应空腔中的一个或多个销255可以被用于在组装过程中相对于壳体215正确地对喷嘴环238进行定向。喷嘴环238可与壳体215的孔形成间隙配合，从而为操作期间各部件的热生长提供足够的间隙以使热应力最小。
如图3所示，喷嘴环238的第二外环244限定有紧靠保持器252的接触垫256。该接触垫256被设置为提供喷嘴环238与壳体215的轴向接合。喷嘴环238的图示结构包括两组多个进口开口258和260。该第一和第二多个进口开口258和260中的每一个被分别限定在相邻的叶片246和247、内环242、及相应的第一或第二外环243或244之间。相应地，第一个多个进口开口258被限定在第一外环243、内环242和第一多个叶片246之间；第二个多个进口开口260被限定在内环242、第二外环244和第二多个叶片247之间。如前面所述，第一多个进口开口258的流动面积和流动方向不同于第二多个进口开口260的流动面积和流动方向。这样，通过第一多个进口开口258的流比通过第二多个进口开口260的流具有更低的压降和更大的朝向涡轮机叶轮的径向速度或动量分量，所述通过第二多个进口开口260的流具有更高的压降和更大的相对于涡轮机叶轮的切向速度或动量分量。
如图所示，第一多个进口开口258中的每一个流体连通在图3的图示的左侧上示出的气体通道236。第二多个进口开口260中的每一个流体连通在图3的图示的右侧上示出的气体通道236。尽管左、右气体通道236均具有基本相同的流动面积，进口开口258允许气流基本无障碍地通过，但是第二多个进口开口260的流动开口的减小–与第一多个进口开口258相比–为通过气体通道236的气体提供了不对称的流动限制。在所示实施例中，且进一步参考图1，与第一排气导管108流体连接的涡轮机进口122被配置为流体连通第二多个进口开口260。与第二排气导管110流体连接的涡轮机进口124相应地与第一多个进口开口258流体连通。尽管在操作过程中可以通过两个涡轮机进口122和124之间的平衡阀116(图1)选择性地提供分流，但是与涡轮机中第二多个进口开口260对应的减少的流动面积将在第一排气导管108中提供增大的气压，使得EGR气体的流动能够得到增强，正如前面所描述的那样。
涡轮机120独特的流动特性可由喷嘴环238的大小、形状和构造来决定，而涡轮机的其他部分可以有利地保持不受影响，或在针对多个发动机平台进行设计的背景下，涡轮机的剩余部分可以相对于各种发动机和发动机应用保持基本通用。因此，适合于特定发动机系统的涡轮机的特定对称或非对称的流动特性可以通过将涡轮机(其否则可以是对于多种发动机而言是通用的)与具有特别适于该特定发动机系统的构造的特定喷嘴环结合来确定。
由特定喷嘴环在除此之外通用的涡轮增压器组件中提供的定制能力呈现了众多超越已知涡轮增压器的优点。首先，发动机或零部件制造商可以通过减少所制造的不同涡轮增压器的数量来精简其生产。通过这种方式，在原装和保养部件市场中，浪费、库存和成本可以得到降低。此外，部件可以保持通用，即使在其它周边元件和系统(诸如EGR系统)发生变化以跟上变化的性能需求的时候。更进一步，低产量的发动机应用(其可能由于成本上的考虑不能具有制造成最佳地适配它们的特定涡轮增压器)现在可以通过将独特的喷嘴环结合到除此之外通用的涡轮增压器中而以更低的成本更加容易地实现定制。这些和其它优点可以通过在此提出的将可互换的环用于涡轮机而得以实现。
基于前述内容，应该理解的是，该喷嘴环可以在多种构造下进行调整，从而为安装有该喷嘴环的涡轮增压器提供期望的节流和流动特性。已经发现，对于通过喷嘴环238的超音速或亚音速排气速度而言，当在第一和第二多个进口开口258和260之间提供的流动不对称性基本上保持一致，或在5％以内时，涡轮机效率的预测可以大大得到改善。这是因为超音速和亚音速的排气流可以在很多种不同的发动机运行条件下通过涡轮机。例如，排气脉冲可以包括亚音速和超音速的排气速度梯度。通过平衡超音速和亚音速气体速度之间的流动不对称性，发动机上的涡轮机的性能可以更好地了解和估计或估算，例如，通过使用建模或其他计算方法。
更具体而言，喷嘴环内形成的气流开口实际上被视为以平行流动回路构造设置的两个会聚-发散型喷嘴。第一个这样的喷嘴由第一多个进口开口258共同构成，第二个这样的喷嘴由第二多个进口开口260共同构成。出于讨论的目的，每个喷嘴被建模为具有嘴部进口开口面积A1的流体通道，其会聚至喉部开口面积A。如图7中示出的那样(其为图6的放大的细节)，进口开口面积A1比喉部开口面积A大，所述面积A表示形成于相邻叶片之间的各个流动通道的最小流动开口面积。各个通道的流动开口面积沿着相对于涡轮机轴的近似径向向内的方向从喉部开口面积A发散成更大的出口开口面积A2。第一和第二多个进口开口258和260之间的相应进口、出口及喉部开口面积之间的差异成比例地不同。在所说明的实施例中，对于通过100％的喷嘴环的总流动面积，通过该第一多个进口开口258的共同的喷嘴流动面积代表总流动面积的约70％，相应地，通过该第二多个进口开口260的共同的喷嘴流动面积代表总流动面积的剩余的30％。
当通过该喷嘴环的排气是亚声速时，如果假设在每个出口处的静态压力相等，在第一多个进口开口258(其标以下标“70”以表明总流量的70％通过它)和第二多个进口开口260(其标以下标“30”以表明总流量的30％通过它)之间的流量分布可根据下列方程式(方程式1)来估计：
方程式1：
其中m(点)代表通过相应进口开口的气体的相应质量流速，Pt代表在“总条件下”的气体压力。该总条件标以下标“t”且被定义为流体处于等熵静止状态时的压力(和密度)。在方程式1中，A2表示出口开口面积，Tt表示总条件下的气体温度，并且f表示函数。在所描述的实施例中，当Pt,70/Pt,30的比值等于1时f等于1，且f随着Pt,70/Pt,30升高而升高。角度α表示垂直于面积A2的向量和通过A2的气体流方向(即气体流动方向)之间的夹角。
在超音速状态下，可以使用类似的方程式来估计两个喷嘴之间的质量流比例，如在下面的方程式1中所表达的那样：
方程式2：
其中A是喉部面积，如图7中所示，f2是Pt,70/Pt,30比值的函数，f2在Pt,70/Pt,30＝1时是1且随Pt,70/Pt,30增加。
对于面积相同且流量不同的气体通道，在高流量侧产生的流量损失增加。这样，如果总压力和总温度在多个进口开口258和260上游一些等距离位置处(诸如114和112)相同，那么通过第一多个进口开口258的流具有的总压力将低于第二多个进口开口260。在此情况下，因为未在气体通道中产生功，因此第一和第二多个进口开口258和260的总温度将相等。因此表达为方程式3和4的形式的下列关系是正确的：
方程式3：
方程式4：
也就是说，通过第二多个进口开口260的总压力将高于或至少等于通过第一多个进口开口258的总压力，这将导致方程式3的表达式小于或等于1，且假定总温度是相同的，这将导致在方程式4中表示的比值等于1。因此，两个喷嘴之间的质量流量比m(点)将接近但略小于有效的出口开口面积比。
考虑到有这些关系，可以选择正确的进口、出口和喉部开口面积，以及发散喷嘴的角度(例如角α)。对具有约940mm2的第一多个进口开口喉部开口(高流量)和约406mm2的第二多个进口开口喉部开口(低流量)的喷嘴环进行计算和气体承受测试(computational andgas-stand test)。虽然测试和计算在亚音速的条件下进行，但是基于上述方程式和关系，预计在亚音速和超音速条件之间存在基本相同的流动不对称性，例如在0.5％的差异内。在受测试的装置中，第一多个叶片中的每个叶片具有这样的轮廓，其中叶片外边缘以相对于环的圆形轮廓成约68度的进口角度进行设置，内边缘以相对于环的圆形轮廓成约70度的排出角度θ1进行设置。第二多个叶片中的每个叶片具有这样的轮廓，其中叶片外边缘以相对于环的圆形轮廓成约68.5度的进口角度进行设置，内边缘以相对于环的圆形轮廓成约79度的排出角度θ2进行设置，如图5和图6所示。
所公开的实施方案的两个方面被注意。第一是各个喷嘴出口面积A2接近各个相应的喷嘴喉部面积A。通过这种方式实现亚音速和超音速工作状态之间一致的流动不对称性，如前面所描述的，这可以提高发动机性能的可预测性。此外，涡轮机叶轮的空气动力效率可以提高。通过适当地为A2和A流动横截面选择类似的面积，通过其间的排气流在喷嘴中发生较少的扩散，从而在涡轮机叶轮中遇到不利的压力梯度时能够更好地调整状态。
需要注意的所披露实施例的第二方面在于，面积A2和A沿着相对于涡轮机叶轮仅具有径向和切向分量的方向对准。这样，由于排气流与涡轮机叶轮通道的对准，能实现效率的提高。
所披露实施例的这两个所述方面所带来的效率有益效果已通过计算实验得以证实，其中，将本文所描述的改进设计与原始喷嘴环进行比较。实验表明本文描述的示例不对称性与原始喷嘴相比在转子效率上存在2％的提高。这种效率提高可能略微不同于其他对称性。
工业实用性
本发明可应用于径向和混合流涡轮机，尤其是那些用在涡轮增压的内燃机上的涡轮机。虽然(图1)示出了具有单个涡轮增压器的发动机100，但可设想具有串联或并联布置的一个以上涡轮增压器的任何发动机构造。
众所周知，涡轮机性能在一定程度上取决于每个单位的用于驱动涡轮机的气体能够获得的内能或焓。此外，涡轮机性能和效率能提高，从而改善提供给涡轮机叶轮的排气流动特性。在本发明中，分隔壁延伸部分245(图3)与涡轮机壳体215的分隔壁240的大致轴向对准有利地减小从涡轮机壳体卷绕通道通向涡轮机叶轮的排气流中的流动曲率和涡流。已确定，按照本文所提供的实施例，即使气体流在环的两个喷嘴之间是不对称的，但横贯环的静态压力梯度得以减小，这进而为进入壳体的涡轮机叶轮区域的气体提供更均匀的流动条件。
将认识到的是前面的描述提供了公开的系统和技术的示例。然而，可以预期本发明的其他实施方式可与前述示例在细节上存在不同，诸如例如第一和第二多个进口开口258和260的不对称性。所有对本发明或其示例的引用旨在在该位置上提及该特定示例，且不期望更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。关于某些特征的所有优越和贬低的语言旨在表明缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本发明的范围之外，除非另有指示。
除非在此另外指出，否则在此对数值范围的叙述仅仅用作分别指示落入该范围内的单个数值的简写方法，并且各个单个数值包含在本说明书内，如同在此个别列举一样。本文所描述的所有方法可以按照任何合适的顺序执行，除非本文另有说明或者上下文清楚地相反指示。

Claims (10)

1.一种涡轮机(120)，其包括：
涡轮机壳体(215)，其包括至少两个气体通道(236)，所述至少两个气体通道(236)具有相同的流动面积并且设置在分隔壁(240)的相对两侧上；
涡轮机叶轮(212)，其具有多个叶片(214)；
喷嘴环(238)，其连接至所述涡轮机壳体(215)并且设置在所述涡轮机叶轮(212)周围，所述喷嘴环(238)具有：
第一外环(243)；
内环(242)，其邻近于所述第一外环(243)设置，所述内环(242)具有环形的形状并且设置成与所述分隔壁(240)轴向对准，
第二外环(244)，其邻近于所述内环(242)设置，所述第二外环(244)比所述第一外环(243)具有更厚的横截面；
第一多个叶片(246)，其固定地设置在所述第一外环和所述内环之间，所述第一多个叶片(246)在它们之间限定出第一多个进口开口(258)，所述进口开口(258)与形成在所述喷嘴环(238)中且包围所述涡轮机叶轮(212)的狭槽(230)流体连通；第二多个叶片(247)，所述第二多个叶片(247)固定地设置在所述第二外环和所述内环之间，所述第二多个叶片(247)在它们之间限定出与所述狭槽(230)流体连通的第二多个进口开口(260)；
其中，所述第一多个进口开口(258)共同限定第一流动出口面积，所述第一流动出口面积大于由所述第二多个进口开口(260)所共同限定的第二流动出口面积。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(120)，
其中，所述第一多个进口开口(258)中的每个限定相应的第一喉部面积和相应的第一出口面积，所述相应的第一喉部面积代表相应的第一进口开口的最小横截面流动面积，所述相应的第一出口面积限定在相应的第一进口开口和所述狭槽之间的边界处；
其中，各个相应的第一喉部面积等于各个相应的第一出口面积；
其中，所述第二多个进口开口(260)中的每个限定相应的第二喉部面积和相应的第二出口面积，所述相应的第二喉部面积代表相应的第二进口开口的最小横截面流动面积，所述相应的第二出口面积限定在所述相应的第二进口开口和所述狭槽之间的边界处；以及
其中，各个相应的第二喉部面积等于各个相应的第二出口面积。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(120)，其中，在运行期间，进入所述涡轮机壳体(215)的排气的第一部分穿过所述第一多个进口开口(258)，并且进入所述涡轮机壳体(215)的排气的第二部分穿过所述第二多个进口开口(260)，且其中，当排气穿过所述第一多个进口开口(258)和第二多个进口开口(260)的速度从亚音速变成超音速以及相反从超音速变成亚音速时，所述第一和第二部分之间的比值变化小于5％。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(120)，其中，所述第一流动出口面积相当于会聚-发散型的第一喷嘴，所述第一喷嘴具有第一等效喉部面积和第一等效出口面积，且其中，所述第二流动出口面积相当于会聚-发散型的第二喷嘴，所述第二喷嘴具有第二等效喉部面积和第二等效出口面积。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(120)，其中，当排气速度为亚音速时，所述第一部分取决于所述第一等效出口面积的大小，且当所述排气速度为超音速时，所述第一部分取决于所述第一等效喉部面积的大小。
6.根据权利要求5所述的涡轮机(120)，其中，所述第一等效喉部面积约为940平方毫米，且其中，所述第二等效喉部面积约为406平方毫米。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮机(120)，其中，所述第一多个叶片(246)和所述第二多个叶片(247)中的每一者包括15个叶片。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮机(120)，其中，所述第二外环(244)沿其面向所述内环(242)的侧壁围绕所述第二外环(244)周向形成平滑突出部(241)，使得所述平滑突出部(241)侵入到所述内环(242)和所述第二外环(244)之间的横截面流动面积中。
9.根据权利要求1或2所述的涡轮机(120)，其中，所述喷嘴环(238)设于在所述涡轮机壳体(215)中形成的孔(234)内，且其中，所述涡轮机(120)进一步包括保持器(252)，所述保持器(252)设置成使所述喷嘴环(238)保持在所述壳体(215)的所述孔内，所述保持器(252)围绕所述喷嘴环(238)沿周向延伸并通过紧固件(254)连接至所述壳体(215)。
10.一种内燃机(100)，其具有根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(120)，所述内燃机(100)进一步包括：
第一多个气缸(106)，其连接至第一排气导管(108)，所述第一排气导管(108)连接至所述涡轮机(120)的第一进口(122)；
第二多个气缸(106)，其连接至第二排气导管(110)，所述第二排气导管(110)连接至所述涡轮机(120)的第二进口(124)；
平衡阀(116)，其设置为将排气从所述第一排气导管(108)选择性地送至所述第二排气导管(110)；以及
排气再循环(EGR)系统，其包括阀(154)，所述阀(154)将所述第一排气导管(108)与所述内燃机(100)的进气系统选择性地流体地连接。
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